Năng lượng tiềm năng

Trong vật lý, năng lượng tiềm năng (Tiếng Anh: potential energy, nghĩa đen: năng lượng tiềm tàng) là năng lượng mà một vật sở hữu do vị trí của nó so với các vật thể khác, các lực bên trong bản thân nó, điện tích hoặc các yếu tố khác.

Các dạng năng lượng tiềm năng phổ biến bao gồm năng lượng tiềm năng hấp dẫn của một vật phụ thuộc vào khối lượng của nó và khoảng cách với trọng tâm của một vật khác, năng lượng tiềm năng đàn hồi của một lò xo bị nén hoặc kéo dãn, và năng lượng tiềm năng của điện tích trong một điện trường. Đơn vị đo năng lượng trong Hệ đo lường quốc tế (SI) là jun, ký hiệu là J.

Thuật ngữ năng lượng tiềm năng được giới thiệu bởi kỹ sư và nhà vật lý người Scotland thế kỷ 19 William Rankine, mặc dù nó có liên quan đến khái niệm tiềm tàng của triết gia Hy Lạp Aristotle. Năng lượng tiềm năng liên quan đến các lực tác dụng lên một vật mà tổng công do các lực này thực hiện chỉ phụ thuộc vào vị trí ban đầu và vị trí cuối cùng của vật trong không gian. Những lực này, được gọi là lực bảo toàn, có thể được biểu diễn tại mọi điểm trong không gian bằng một vectơ biểu thị dưới dạng các bậc của một hàm vô hướng nhất định gọi là potential. Hiểu một cách chính xác hơn, trong cơ học, năng lượng tiềm năng là trường thế vô hướng của trường vectơ lực bảo toàn.

Do công của các lực tiềm năng tác động lên một vật khi chuyển động từ vị trí đầu đến vị trí cuối chỉ được xác định bởi hai vị trí này, và không phụ thuộc vào đường đi của vật, nên có một hàm gọi là potential có thể được xác định tại hai vị trí đó để tính công này.

Giống như mọi trường thế vô hướng, giá trị của thế năng phụ thuộc vào việc lựa chọn điểm mốc. Khái niệm hiệu thế năng thường được sử dụng để so sánh thế năng giữa hai điểm, hoặc để mô tả thế năng của một điểm khi điểm mốc có thế năng bằng 0.

Đối với mọi trường vectơ lực bảo toàn, tích phân đường của vectơ lực E từ vị trí r₀ đến r được tính như sau:

${\int <!--\; \int \; -->}_{r_0}^{r}F\cdot <!--\; \cdot \; -->d{\mathrm{r\; <div\; class="min-w-[250px]\; max-w-[94vw]\; md:max-w-[770px]">\; <ins\; class="adsbygoogle"\; style="display:block;\; text-align:center;"\; data-ad-layout="in-article"\; data-ad-format="fluid"\; data-ad-client="ca-pub-9247024304160346"\; data-ad-slot="4115752014"></ins>\; </div>}}^{\prime }$

luôn có giá trị không phụ thuộc vào đường đi từ r₀ đến r.

Do đó, tại mỗi điểm r có thể xác định giá trị được gọi là thế năng:

$\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}\left(r\right)=\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}\left(r_0\right)+{\int <!--\; \int \; -->}_{r_0}^{r}F\cdot <!--\; \cdot \; -->d{r}^{\prime }$

với φ(r₀) là giá trị thế năng quy ước tại điểm mốc r₀.

Thế năng do lực hấp dẫn

Thế năng do lực hấp dẫn của một vật là năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật, phụ thuộc vào vị trí của vật trong trường trọng lực.

Lực hấp dẫn là một lực bảo toàn, do đó thế năng trong trường hợp này được gọi là thế năng hấp dẫn hoặc thế năng trọng trường. Ví dụ, tại một điểm nhỏ trên bề mặt của hành tinh lớn, lực hấp dẫn tác động lên vật thể (trọng lực) có thể coi như không đổi.

F = m g

với g là gia tốc trọng trường tại bề mặt hành tinh. Nếu chọn mốc thế năng của vật ở bề mặt bằng 0, thì thế năng của vật ở độ cao h so với bề mặt (với h nhỏ hơn nhiều so với bán kính hành tinh) được tính như sau:

φ = m |g| z

Trên mặt đất, công thức tính thế năng trọng trường là: Ep=mgh (đơn vị Joule)

m là khối lượng tính bằng kg

g là gia tốc trọng trường, thường là 9,81

z là độ cao tính bằng mét

Thế năng do lực tĩnh điện

Lực tĩnh điện là một lực bảo toàn, vì vậy thế năng trong trường hợp này được gọi là thế năng tĩnh điện.

Lực tĩnh điện F được tính như sau:

F = q E

trong đó, q là điện tích của hạt, và E là cường độ của điện trường.

Điện thế, ký hiệu là V, là một trường vô hướng tương ứng với cường độ điện trường:

$V\left(r\right)=V\left(r_0\right)+{\int <!--\; \int \; -->}_{r_0}^{r}E\cdot <!--\; \cdot \; -->d{r}^{\prime }$

Kết luận:

φ = q V

tức là thế năng tĩnh điện bằng tích của điện thế và điện tích.

Thế năng đàn hồi

Thế năng đàn hồi là loại năng lượng của một vật khi chịu tác động của lực đàn hồi.

Lực đàn hồi của lò xo lý tưởng là lực bảo toàn, và trong trường hợp này, thế năng được gọi là thế năng đàn hồi.

Khi lò xo tuân theo định luật Hooke, với lực đàn hồi F tỉ lệ với biến dạng x:

|F| = k x

Vậy thế năng đàn hồi của lò xo được tính bằng:

φ = k x/2

Có thể chọn mốc thế năng là 0 khi lò xo ở trạng thái không bị nén hay giãn.

• Cơ sở vật lý thuộc phần Cơ học, của Halliday, Walker và Resnick, được dịch sang tiếng Việt bởi Ngô Quốc Quýnh, Nhà xuất bản Giáo dục, năm 1998.